100Gbit/s光傳輸實現(xiàn)關(guān)鍵的技術(shù)分析

洪練灼

【摘 要】介紹了超100Gbit/s光傳輸實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。鑒于當前光電器件工藝水平，100 Gbit/s的光傳輸速率具有更高的可行性。

【關(guān)鍵詞】光傳輸；正交幅度調(diào)制；數(shù)字相干接收機

【中圖分類號】TN929.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0101-01

1 100Gbit/s光傳輸實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1關(guān)鍵器件技術(shù)

業(yè)界初步估計100G關(guān)鍵器件將于2010年左右開始生產(chǎn)，于2011/2012年開始規(guī)模商用。100G傳送解決方案所需的關(guān)鍵高速光器件和預(yù)計的成熟時間（規(guī)模商用時間）。

其中光模塊和高速DSP影響最大。只有高速光模塊才能實現(xiàn)100Gbps 速率的調(diào)制。DSP則對于相干電接收至關(guān)重要，只有在100G高速率數(shù)字處理技術(shù)取得突破時，才能實現(xiàn)軟判決、相干電接收的復(fù)雜電處理，從而提高接收靈敏度，加大100G 的傳輸距離。

1.2數(shù)字信號處理技術(shù)

100G的相干解調(diào)是在電域中對信號進行偏振估計和相位估計，因此高效的DSP技術(shù)對于100G的發(fā)展至關(guān)重要。100G信號經(jīng)數(shù)字信號處理后可以提高色散容限，減少線路色散補償?shù)氖褂茫种品蔷€性損傷的影響；提高自適應(yīng)線路色散變化的相應(yīng)速度，避免了40G技術(shù)采用的色散補償器的弊端；使系統(tǒng)PMD容限大幅度提升。PMD效應(yīng)也不再成為限制系統(tǒng)傳輸距離的因素，系統(tǒng)組網(wǎng)能力及靈活性將得到極大的提高。目前，PDM- QPSK、相干接收和DSP技術(shù)的配合使用，已成為100G傳輸系統(tǒng)最主流的技術(shù)配置方案。而DSP技術(shù)由于設(shè)計復(fù)雜，成本高昂，一直是100G發(fā)展的瓶頸。因此高性能低成本的高速數(shù)字信號處理技術(shù)是100G大規(guī)模商用的關(guān)鍵因素之一。

1.3多維度調(diào)制技術(shù)

多維度、多進制（M）調(diào)制技術(shù)可在一個符號上承載多個（log2M）比特信息，能夠有效提高頻譜效率，降低符號發(fā)送的波特率，減小基帶帶寬及與之相關(guān)的色度色散和偏振模色散，減小對傳輸通道和光電器件帶寬的要求。在此基礎(chǔ)上，充分利用兩線性正交偏振態(tài)可有效復(fù)用的特性進一步降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?，提高頻譜效率和通道損傷容忍能力。需要指出的是，盡管低波特率可獲得較好的光濾波容限，但多級調(diào)制會減小星座圖上符號之間的最小間距，降低OSNR靈敏度以及非線性容忍能力，要求在頻譜效率、接收靈敏度以及OSNR要求之間進行權(quán)衡。

1.4 正交頻分復(fù)用技術(shù)

時間周期為T且中心頻率間隔為1/T整數(shù)倍的脈沖信號在時域和頻域具有正交性?；谏鲜稣J知，可將傳統(tǒng)的寬帶光載波通道細分為多個相互正交的窄帶子載波，分別進行編碼調(diào)制后復(fù)用傳輸，以減小和消除寬帶載波調(diào)制所固有的色度色散和偏振模色散，抑制同一載波通道上前后符號間的干擾。

具體實現(xiàn)上，光正交頻分復(fù)用發(fā)射機可將數(shù)據(jù)分塊后分別對子載波進行映射編碼，然后利用逆向離散傅立葉變換將其轉(zhuǎn)換為離散的時域波形描述序列，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大驅(qū)動、低通濾波后驅(qū)動調(diào)制器實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。在接收端，OFDM光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣量化為數(shù)字信號，經(jīng)離散傅立葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號，完成各子載波符號恢復(fù)和數(shù)據(jù)提取。為抑制和消除色散引起的載波間干擾，可在符號間插入保護時隙。在保護時隙間隔大于色度色散和最大差分群時延所導致的時延擴展情況下，OFDM可以有效解決色度色散和偏振模色散所引起的符號間干擾問題。

1.5數(shù)字相干接收

相干檢測可將光信號的所有光學屬性（偏振態(tài)、幅度、相位）映射到電域，可解析任意光調(diào)制格式的信息。相干檢測在實現(xiàn)上可采用零差檢測、外差檢測和內(nèi)差檢測三種方式。其中，零差檢測具有最優(yōu)的接收靈敏度和波長選擇能力，但要求通過鎖頻控制確保本振激光器的頻率相位與所接收光信號保持一致，對激光器的線寬和穩(wěn)定性要求極高；外差檢測經(jīng)中頻轉(zhuǎn)換將頻率相位恢復(fù)的難題轉(zhuǎn)移至電域，可以降低對激光器線寬的要求，但要求接收機光電器件帶寬至少為信號基帶帶寬的兩倍；內(nèi)差檢測與零差檢測結(jié)構(gòu)相似，放寬了對本振激光器與發(fā)射機激光器的頻率相位一致性要求，而通過正交分量信號相位分集接收和電信號處理獲取頻率相位信息，兼具零差檢測和外差檢測的優(yōu)點。

數(shù)字相干接收機采用偏振分集和相位分集方式將光脈沖信號所承載的數(shù)據(jù)信息映射轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器在時間和幅度的離散化后，通過數(shù)字信號處理實現(xiàn)色散（CD、PMD）補償、時序恢復(fù)、偏振解復(fù)用、載波相位估計、符號估計和線性解碼。數(shù)字相干接收發(fā)揮了微電子集成技術(shù)的巨大優(yōu)勢，利用廉價而成熟的數(shù)字信號處理技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行院涂煽啃?。?shù)字信號處理的自適應(yīng)算法可動態(tài)補償隨時間變化的傳輸損傷，并可實現(xiàn)高效的前向糾錯編碼算法。不論是相干檢測還是非相干檢測，光信號在完成光電轉(zhuǎn)換經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣量化為數(shù)字信號后，可采用數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)載波頻率相位估計和線性相位噪聲的均衡及補償。載波恢復(fù)和數(shù)據(jù)提取后，可采用前向糾錯編碼對傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼進行糾錯恢復(fù)。

1.6前向糾錯編碼

在調(diào)制、檢測、均衡以及復(fù)用技術(shù)無法滿足系統(tǒng)傳輸性能要求的情況下，可采用線性編碼技術(shù)進一步改善系統(tǒng)性能。實踐證明，F(xiàn)EC可有效提高系統(tǒng)傳輸性能，優(yōu)化OSNR要求，提高信號對通道損傷的容忍能力。近年來，迭代FEC編碼如Turbo、LDPC編碼以其高編碼增益廣受關(guān)注，其中迭代解碼LDPC較Turbo編碼具有更優(yōu)的糾錯特性和實現(xiàn)復(fù)雜度。

除了采用新的編碼算法外，采用軟判決也可以提高FEC編碼增益。軟硬判決的區(qū)別在于其對信號量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對信號量化的比特數(shù)為1位，其判決非“0”即“1”，沒有回旋余地。軟判決則采用多個比特位對信號進行量化，并通過Viterbi等估計算法提高判決的準確率。當FEC編碼開銷為7%和25%時，理論上軟判決比硬判決的編碼增益分別高出1.1dB和1.3dB，實際上軟判決比硬判決的編碼增益分別高出0.5dB和0.9 dB。軟判決需多位ADC采樣量化，并通過數(shù)字信號處理進行估計，其硬件復(fù)雜度以及處理時延較大，選用時需權(quán)衡其性價比?；谲浥袥Q和加乘算法的迭代式LDPC算法具有逼近香農(nóng)極限的編碼增益并易于采用并行處理的方式實現(xiàn)，可望用于超100Gbit/s光傳輸系統(tǒng)。

采用FEC編碼無疑會引入編碼開銷，導致數(shù)據(jù)傳輸波特率以及基帶帶寬增大，給系統(tǒng)傳輸性能帶來負面影響。在選用FEC算法時，需權(quán)衡其實現(xiàn)復(fù)雜度、處理時延以及編碼開銷所導致的速率增加對系統(tǒng)傳輸性能的影響，在滿足編碼增益要求的前提下盡可能減小編碼開銷及其所帶來的硬件實現(xiàn)復(fù)雜度。

2 結(jié)束語

下一代100Gbit/s光傳輸將繼承基于相干接收PM-QPSK調(diào)制的100Gbit/s光傳輸?shù)脑O(shè)計思想，采用偏振復(fù)用、多級正交幅度調(diào)制提高頻譜效率，采用OFDM多載波技術(shù)提高頻譜利用率，抑制色散影響，降低對光電器件帶寬的要求，采用數(shù)字相干接收技術(shù)提高接收靈敏度和信道均衡能力，采用基于軟判決的糾錯編碼技術(shù)進一步提高編碼增益。

參考文獻

[1]李悅，OFDM關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息通信.2005（05）

[2]陳詠濤，OFDM技術(shù)淺析[A].2005年安徽通信論文集[C].2006